устройство зондирования строительных конструкций

Формула изобретения

Устройство зондирования строительных конструкций, состоящее из высокочастотного генератора, пространственно совмещенных передающей и приемной антенн, приемника высокочастотного сигнала и ЭВМ, при этом к первому выходу высокочастотного генератора подключена передающая антенна, к выходу приемной антенны последовательно подключены приемник высокочастотного сигнала и контроллер по обработке и вводу данных в ЭВМ, отличающееся тем, что высокочастотный генератор выполнен в виде генератора ударного возбуждения, контроллер выполнен в виде последовательно подключенных к выходу приемника высокочастотного сигнала, первой линии задержки, триггера, второй вход которого соединен с вторым выходом высокочастотного генератора, ключа, второй вход которого соединен с выходом приемника высокочастотного сигнала, усилителя, второй линии задержки, блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя, интегратора, блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного напряжения, и аналого-цифрового преобразователя, выход которого через интерфейс связан с ЭВМ, причем соответствующие выходы интерфейса подключены к высокочастотному генератору, приемнику высокочастотного сигнала, блоку формирования эталонного напряжения, звуковому и жидкокристаллическому индикаторам, при этом сформированный в приемнике высокочастотного сигнала импульс через линию задержки поступает на второй вход триггера, который формирует положительное напряжение, которое открывает ключ, через который импульс, сформированный в приемнике высокочастотного сигнала, передается через усилитель во вторую линию задержки и блок вычитания, разностный сигнал от блока вычитания подается на интегратор и блок деления, а затем после блока деления через блок сравнения подается в аналого-цифровой преобразователь.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях и может найти применение в следующих областях: контрразведывательной деятельности по выявлению подслушивающих устройств; оперативно-розыскной деятельности правоохранительных органов; зондировании строительных конструкций с целью определения положения арматуры, пустот и других неодно-родностей; зондировании особо ответственных строительных конструкций (взлетно-посадочных полос, аэродромов, мостов, переходов и т.д.) с целью определения скрытых дефектов в них.

Известны устройства зондирования строительных конструкций (авт. свид. СССР №№ 321.783; 344.391; 385.251; 397.877; 455.307; 708.277; 746.370; 817.640; 1.078.385; 1.092.453; 1.100.603; 1.151.900; 1.247.805; 1.300.396; 1.317.378; 1.420.574; 1.469.488; 1.553.933; 1.594.477; 1.721.566; патенты РФ №№ 2.044.331, 2.105.330, 2.067.759, 2.121.671, 2.158.015; патент ФРГ №2.360.778; патент Японии №57-17.273; Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. - М., 1971 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является “Устройство зондирования строительных конструкций” (патент РФ №2.121.671, G 01 N 22/00, 1997), которое и выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство состоит из высокочастотного генератора, пространственно совмещенных передающей и приемной антенн, приемника высокочастотного сигнала. Для идентификации и определения в реальном масштабе времени положения неоднородностей и включений в строительных конструкциях пространственно совмещенные передающая и приемная антенны снабжены сканирующим устройством регистрации координат зондируемой поверхности, выполненным в виде линейки, а сигналы от приемника высокочастотного сигнала и сканирующего устройства регистрации координат зондируемой поверхности поступают в контроллер по обслуживанию и вводу данных в ЭВМ. Частота высокочастотного генератора находится в диапазоне от 3 до 4 ГГц. В основе устройства лежит принцип использования непрерывного сигнала с частотой, изменяющейся по симметричному или несимметричному пилообразному закону. Частота биений между опорным (прямым) и отраженным сигналами является функцией расстояния до неоднородности.

Однако данное устройство обладает сравнительно низкой точностью и разрешающей способностью по глубине. Это объясняется тем, что в процессе приема и соответствующей обработки отраженный ЛЧМ-сигнал "сжимается", имеет довольно высокий уровень боковых лепестков корреляционной функции, они составляют приблизительно 25% от главного лепестка. Меры по уменьшению уровня боковых лепестков приводят к существенному расширению главного лепестка и потере энергии.

Этого можно избежать, если использовать в качестве зондирующего сигнала последовательность радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом их них (вплоть до одного), т.е. последовательность радиоимпульсов без несущей частоты. Подобного типа зондирующие сигналы обладают большой шириной спектра, т.е. являются сверхширокополосными.

В зависимости от требуемой глубины и разрешения используются длины волн от метрового до дециметрового диапазона. Функция корреляции таких радиоимпульсов лишена боковых лепестков, а следовательно, точность и разрешающая способность по глубине устройства могут быть существенно повышены.

Кроме того, в известном устройстве надежные обнаружение и идентификация подповерхностных неоднородностей в строительных конструкциях в ряде случаев затруднены из-за высокого уровня вариаций электромагнитного поля (квазистационарные и периодические составляющие поля, помехи естественного и искусственного происхождения).

Технической задачей изобретения является повышение точности, разрешающей способности, надежности обнаружения и идентификации неоднородностей и включений в строительных конструкциях за счет исключения отражений от поверхности воздух - строительная конструкция, вариаций электромагнитного поля и использования последовательности радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом из них (вплоть до одного).

Поставленная задача решается тем, что в устройстве зондирования строительных конструкций, состоящим из высокочастотного генератора, пространственно совместимых передающей и приемной антенн, приемника высокочастотного сигнала и ЭВМ, при этом к первому выходу высокочастотного генератора подключена передающая антенна, к выходу приемной антенны последовательно подключены приемник высокочастотного сигнала и контроллер по обработке и вводу данных в ЭВМ, высокочастотный генератор выполнен в виде генератора ударного возбуждения, контроллер по обработке и вводу данных в ЭВМ выполнен в виде последовательно подключенных к выходу приемника первой линии задержки, триггера, второй вход которого соединен с вторым выходом высокочастотного генератора, ключа, второй вход которого соединен с выходом приемника, усилителя, второй линии задержки, блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя, интегратора, блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного напряжения, и аналого-цифрового преобразователя, выход которого через интерфейс связан с ЭВМ, причем соответствующие выходы интерфейса подключены к высокочастотному генератору, приемнику высокочастотного сигнала, блоку формирования эталонного напряжения, звуковому и жидкокристаллическому индикаторам.

Структурная схема устройства зондирования строительных конструкций представлена на чертеже.

Устройство включает в себя: 1 - портативную ЭВМ; 2 - поверхность строительной конструкции; 3 - электронный блок в составе высокочастотного генератора 5 и приемника 7 высокочастотного сигнала; 4 - антенный блок, включающий пространственно совмещенные передающую антенну 8 и приемную антенну 9, 6 - контроллер по обработке и вводу данных в ЭВМ; 10 - объект, в качестве которого могут быть строительная арматура, пустоты и другие неоднородности, различные дефекты, подслушивающие устройства и. т.д.; 12, 14 - первая и вторая линии задержки; 13 - усилитель; 15 - блок вычитания, 16 - интегратор, 17 - блок деления, 18 - блок формирования эталонного напряжения, 19 - блок сравнения, 20 - аналого-цифровой преобразователь, 21 - интерфейс, 22 - ключ, 24 - звуковой индикатор и 23 - жидкокристаллический индикатор. Причем к высокочастотному генератору 5 подключена передающая антенна 8. К выходу приемной антенны 9 последовательно подключены приемник 7 высокочастотного сигнала, первая линия 12 задержки, триггер 11, второй вход которого соединен с вторым выходом высокочастотного генератора 5, ключ 22, второй вход которого соединен с выходом приемника 7, усилитель 13, вторая линия 14 задержки, блок 15 вычитания, второй вход которого соединен с выходом усилителя 13, интегратор 16, блок 17 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 15 вычитания, блок 18 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 19 формирования эталонного напряжения, аналого-цифровой преобразователь 20, интерфейс 21 и ЭВМ 1. Соответствующие выходы интерфейса 21 подключены к высокочастотному генератору 5, приемнику 9 высокочастотного сигнала, блоку 19 формирования эталонного напряжения, звуковому 24 и жидкокристаллическому 23 индикаторам.

Принцип работы устройства основан на методе сверхширокополосного радиолокационного зондирования строительных конструкций, при котором оценивается изменение нестационарного электромагнитного поля, образованного отраженными от различных неоднородностей и включений электромагнитными волнами после их облучения зондирующим радиосигналом, в качестве которого используется последовательность радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом из них (вплоть до одного). Формирование зондирующего сверхширокополосного радиосигнала осуществляется генератором 5 ударного возбуждения и передающей антенной 8. На границе раздела строительная конструкция - неоднородность, характеризующийся скачком относительной диэлектрической проницаемости и удельного затухания, формируется отраженный радиосигнал, возвращающийся к приемной антенне 9. Принимаемый сверхширокополосный радиосигнал с помощью стробоскопического приемника 7 претерпевает масштабно-временное преобразование и переводится в цифровую форму, удобную для представления и обработки. Цифровой сигнал содержит информацию как о расположении неоднородности и включении, так и о их форме, материале и т.п. Выделение полезной информации осуществляется с помощью обработки в ЭВМ 1 и отображается на экране визуального индикатора 23 в реальном масштабе-времени.

Устройство зондирования строительных конструкций работает следующим образом.

Основным режимом работы устройства является режим “Поиск”. Этот режим устанавливается автоматически при включении устройства и используется при поиске и распознавании различных неоднородностей и включений, находящихся в строительных конструкциях.

При включении напряжения питания устанавливаются исходные режимы всех блоков устройства. По команде ЭВМ 1 генератор 5 ударного возбуждения формирует зондирующий сверхширокополосный сигнал в виде одного периода синусоиды амплитудой 20 В и длительностью 1 нс, излучаемый передающей антенной 8 в направлении поверхности 2 строительной конструкции.

Обнаружение неоднородностей и включений в режиме “Поиск” осуществляется оператором путем перемещения вправо-влево, вперед-назад антенного блока 4, укрепленного на штанге и включающего пространственно совмещенные передающую 8 и приемную 9 антенны. При этом необходимо следить за тем, чтобы антенный блок 4 перемещался параллельно обследуемой поверхности 2 строительной конструкции на фиксированном расстоянии (5...10 см от нее). Скорость перемещения антенного блока 4 выбирается в зависимости от условий поиска и конфигурации строительной конструкции. При этом необходимо следить за тем, чтобы был обследован весь проверяемый участок поверхности 2 строительной конструкции.

Электромагнитная волна, отражающаяся от неоднородности 10, воздействует на приемную антенну 9. На эту же антенну воздействуют мешающие прямое излучение генератора 5 и отраженный сигнал от границы раздела воздух - строительная конструкция. Часть энергии зондирующего сигнала с второго выхода высокочастотного генератора 5 поступает на первый вход триггера 11, который переводится в первое (нулевое) состояние. На выходе триггера 11 формируется отрицательное напряжение.

Отраженный сигнал, содержащий информацию о границе раздела сред и неоднородности 10, с выхода приемной антенны 9 поступает на первый вход приемника 7, на второй вход которого подается через интерфейс 21 короткий строб-импульс с ЭВМ 1. Сформированный в приемнике 7 импульс, представляющий собой мгновенное значение принятого периодического сигнала, через линию 12 задержки, поступает на второй вход триггера 11. Последний переводится во второе (единичное) состояние, при котором на его выходе формируется положительное напряжение. Это напряжение поступает на управляющий вход ключа 22 и открывает его. В исходном состоянии ключ 22 всегда закрыт. Линия 12 задержки необходима для наиболее полного управления влиянием отражений от границы раздела сред на работу усилителя 13 и последующих каскадов. Линия 12 задержки выполняется переменной, что обеспечивает устранение влияния прямого излучения передающей антенны 8 и сигналов, отраженных от границы раздела воздух - сторительная конструкция и от слоев различной глубины залегания, т.е. осуществляется “стробирование по вертикали”, которое обеспечивает последовательный просмотр подповерхностного пространства строительной конструкции от границы раздела воздух - строительная конструкция до слоев различной глубины.

“Стробирование по горизонтали” позволяет на фоне вариаций электромагнитного поля, не связанных с электромагнитной волной, отражающийся от неоднородности или включения, надежно выделять в подповерхностных слоях строительной конструкции неоднородности, включения и т.п. Для исключения влияния периодических и квазистационарных вариаций электромагнитного поля Земли осуществляется периодическое измерение напряженности поля и операция нормирования разностного сигнала двух последовательных измерений, т.е. интегрируется разностный сигнал, делится разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал. Операция сравнения нормированного сигнала с заданным пороговым значением позволяет принять решение о наличии или отсутствии неоднородности или включения.

Для этого сформированный в приемнике 7 импульс, представляющий собой мгновенное значение принимаемого периодического сигнала, отраженного от неоднородности 10, через открытый ключ 22 после усиления в усилителе 13 поступает на блок 15 вычитания непосредственно и через линию 14 задержки. При этом в каждой точке наблюдения производится не менее двух последовательных измерений указанных импульсов. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого импульс, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 14 задержки до момента сравнения его с последующим импульсом в блоке 15 вычитания. Операции интегрирования разностного сигнала и деление разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производится в блоках 16 и 17. В блоке 18 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, формируемым блоком 19. При превышении порогового уровня сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 20, где он преобразуется в цифровую форму и поступает через интерфейс 21 на ЭВМ 1.

После аналого-цифрового преобразования данные через плату интерфейса 21 поступают в ЭВМ 1, а затем на экран жидкокристаллического индикатора 23, частоты вертикальной (строчной) и горизонтальной (кадровой) разверток которого могут варьироваться в определенных пределах. На экране индикатора 23 в реальном масштабе времени наблюдается плоская яркостная картина неоднородности и включений исследуемой строительной конструкции.

Максимальная амплитуда принимаемого сигнала сравнивается с установленным пороговым значением, при превышении которого включается звуковой индикатор 24.

Появление звукового сигнала и визуального сигнала на экране требует остановки оператора и свидетельствует о том, что в зоне обнаружения антенного блока 4 находится неоднородность или включение, природу происхождения которой следует установить, а при необходимости, уточнить ее местоположение и форму.

Для анализа обнаруженной неоднородности следует выполнить ее сканирование (перемещение антенного блока 4 от границы обнаружения до границы потери) со скоростью, определяемой световой строкой на экране индикатора 23. Режим “Сканирование” и формирование вертикального среза строительной конструкции с обнаруженной неоднородностью осуществляется переходом из режима “Поиска” нажатием кнопки “Сканирование”, расположенной на передней панели устройства. Через 20 с после обработки сигнала на экране индикатора 23 появляется радиолокационный образ неоднородности или включения, дающий представление о форме и размерах неоднородности (включения). По желанию оператора контрастность изображения можно изменять соответствующими кнопками в сторону увеличения или уменьшения.

Для идентификации обнаруженной неоднородности с имеющимися эталонами оператору необходимо обратиться к обучаемому алгоритму, при этом на экране индикатора 23 при идентификации обнаруженной неоднородности с имеющимся в памяти ЭВМ 1 эталоном высвечивается соответствующее название, например, “неоднородность №2”. В случае несоответствия выводится сообщение “неоднородность не опознана”.

Для определения материала обнаруженной неоднородности (включения) оператор нажатием соответствующей кнопки переходит к базовому алгоритму. На экране выводится сообщение о типе материала: “Металл”, “Композит”, “Пластик” и т.д.

Нажатием кнопки “Сканирование” и перемещение антенного блока 4 над неоднородностью (включением) дает возможность провести при необходимости повторное обследование неоднородности (включения) по критерию базового и обучаемого алгоритмов.

Идентификация обнаруженной неоднородности (включения) по обучаемому алгоритму, распознавание типа материала по базовому алгоритму, анализ оператором изображения и “среза” неоднородности (включения) позволяет оператору принять решение о дальнейших действиях относительно обнаруженной неоднородности (включения) и продолжения разведки.

Взаимодействия ЭВМ 1 с остальными узлами устройства, а также организация управления работой осуществляется через схемы интерфейса 21.

Органы управления, коммутации и индикации вынесены на общую панель управления. Различные варианты использования дисплея в режиме поиска, а также работа устройства во вспомогательных режимах не изменяют сути описанных физических процессов, а определяются только программой работы ЭВМ 1.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими устройствами аналогичного назначения позволяет повысить точность, разрешающую способность, надежность обнаружения и идентификации неоднородностей и включений в строительных конструкциях. Это достигается путем исключения отражений от границы раздела воздух - строительная конструкция, квазистационарной составляющей, периодических вариаций электромагнитного поля Земли и использования последовательности радиоимпульсов с малым числом периодов высокочастотных колебаний в каждом из них (вплоть до одного).

Использование сигналов малой длительности в качестве зондирующих сигналов определяет ряд специфических особенностей их регистрации. Вместе с тем, периодичность следования отраженных сигналов позволяет использовать стробоскопический метод обработки сигналов. Сущность данного метода заключается в том, что осуществляется регистрация не самого исследуемого сигнала, а его отдельных выборок, каждая из которых формируется в различные периоды повторения данного сигнала.